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2024 | Buch

Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT

Vom Ethernet bis hin zum Internet und OPC UA

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Über dieses Buch

Wer Industrie 4.0 sagt, meint Internet oder auch IoT und wer IoT sagt, meint auch Ethernet. Alle drei Begriffe sind eng miteinander verbunden. Das Buch zeigt die geschichtliche Entwicklung und die Technische Entwicklung von Hardware, Software sowie Protokolle von Ethernet über Internet (IoT) bis hin zu OPC UA, der heute besten plattformunabhängigen Kommunikationsvernetzung.

Ein Fokus von Industrie 4.0 ist die Betrachtung und Einordnung der Künstlichen Intelligenz und der Prädiktiven Wartung .

Es werden Beispiele für Vernetzungstopologien von der Fabrikebene über die SPS-Ebene, SCADA/HMI-Ebene MES bis hin zur ERP-Ebene erläutert. Schwerpunkte sind Feldbusse, Internet und Ethernet TCP/IP. Es werden die verschiedenen Ethernet/Internet- und echtzeitfähigen Feldbusse wie PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP sowie deren Implementierung erläutert.

Thema sind horizontale und vertikale Kommunikationsstrukturen, Feldbusse und Kommunikationsprotokolle gemäß des OSI-Modells und der Automatisierungspyramide gezeigt und wie diese in modernen Industrieanwendungen Eingang finden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung, warum dieses Buch
Zusammenfassung
Dieses Lehrbuch Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT ist auf Basis meiner Vorlesung am KIT Systemintegration sowie auf der Fortschreibung der Technologie von der 1. Auflage Industrie 4.0, China 2025, IoT – Der Hype um die Welt der Automatisierung entstanden. Ein besonderer Schwerpunkt dieses Buches sind die Kommunikationsstrukturen von Ethernet, Internet und WLAN und deren Verbindungen zueinander.
Wolfgang Babel
Kapitel 2. Geschichte der Automatisierung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird ein Blick auf die Geschichte der Automatisierung geworfen, da diese in vollen Umfängen die Grundlage für Industrie 4.0 und IoT (IIoT) und die heutige Automatisierungstechnik darstellt.
Die Automatisierung begann schon in der Antike bei den Griechen, welche die Göttin Automatia (selbstständiges Handeln) verehrten.
Es werden Beispiel für die einzelnen Epochen der Automatisierung aufgezeigt, beginnend bei den Automatentheater der Antike bis hin zur Dampfmaschine und der ersten Fließbandfertigung dem Model T von Henry Ford erläutert, die Geburtsstunde der Automatisierung.
Weiterhin erfolgt die zeitliche Einordnung von mechanischen Webstühlen, die mit Dampf und Wasser angetrieben wurden.
Gefolgt vom Zeitalter der Dampflokomotiven, Kolbendampfmaschine, atmosphärische Dampfmaschine, Niederdruck-, Hochdruckdampfmaschine, Verbunddampfmaschine, die Innovationen im 19. Jahrhundert.
Die Epoche der Roboter wir eingehend unter dem Aspekt der Effizienz diskutiert.
Wolfgang Babel
Kapitel 3. Industrie 4.0 und IoT– Zusammenhänge
Zusammenfassung
Kapitel 3 gibt einen Überblick über die Systemintegration in der Automatisierungstechnik seit 1970 bis 2020 und deren Zukunft und beschäftigt sich mit den Zusammenhängen von Industrie 4.0 und Internet of Things (IoT) oder Industrial Internet of Things IIoT. Ein Beispiel eines Lösungsverkauf im Sinne Systemintegration wird besporchen. Dabei werden sowohl die zeitliche Abfolge wie auch die vertraglichen Aspekte des Lösungsverkaufes eingehend behandelt. ROI (Return on Investment) und GuV (Gewinn- und Verlustrechnung) werden dabei als die unternehmerischen Steuergrößen beispielhaft behandelt
Aufgezeigt wird Industrie 4.0 und IoT als die systematische Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik im Zusammenhang mit den jeweils zur Verfügung stehenden, technologischen Möglichkeiten.
Beschrieben werden die Meilensteine der Automatisierung vom Beginn der Robotik, Ethernet- und der Feldbussystem-Entwicklungen, die Entstehung des OSI Modell (engl.: Open Systems Interconnection Model) und der Automatisierungspyramide. Das OSI Modell repräsentiert dabei das Referenzmodell für Netzwerkprotokolle als Schichtenarchitektur; Das OSI Modell ist quasi der Protokollstack für die Automatisierung.
Wolfgang Babel
Kapitel 4. Künstliche Intelligenz (KI)
Zusammenfassung
Im Kapitel ‚Künstliche Intelligenz wird die Entstehungsgeschichte der KI seit mehr als 50 Jahren aufgezeigt und deren Einordnung in verschiedenen Themengebiete. Es werden für das Kofferwort ‚KI‘ die unterschiedlichen Definitionen aus Wissenschaft und Politik besprochen. Weiterhin werden die Lernverfahren der unterschiedlichen KI- Methoden und Lösungsansätze gegenüber gestellt und diskutiert. Ausführliche Beispiele werden gegeben für statistische Lernverfahren, Bilderkennungsverfahren sowie Experten-Systemen. Anschaulich wird das Maschinenlernen mit Künstlichen Neuronalen Netzwerken, die evolutionären Algorithmen (Expertensysteme) und das Lernen von Symbolen vorgestellt. Vor- und Nachteile von linearen und nichtlinearen Lernverfahren werden gegenübergestellt und diskutiert. Einen Schwerpunkt bildet dabei der Backpropagation Algorithmus mit dem Gradientenabstiegsverfahren.
Es wird eingehend ausgeführt, dass bei KI nichts dem Zufall überlassen wird und die Algorithmik zu KI komplett deterministisch ist und explizit nach Vorgaben des Menschen abläuft. Besonderer Wert wird in der Darstellung von KI auf die ‚Entmystifizieung‘ dieses Themas Wert gelegt, da gerade aktuell ein riesiger Hype im Gange ist, der ungerechtfertigte Ängste entstehen lässt.
Unter die Kategorie der KI fallen auch prädiktive Wartung und Vorhersagealgorithmen, die ebenfalls als weiterer Abschnitt behandeltwerden (Abschn. 4.10).
Wolfgang Babel
Kapitel 5. Internet of Things – IoT
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Enstehung und die geschichtliche Einordnung von IoT (Internet of Thinmgs) behandelt. Besonderer Aspekt ist dabei der Zusammenhang mit intelligenten Sensoren, die ihren Ursprung im RFID (Radio Frequency Identification) haben. Es wird ausgeführt wie es zu den zunächst intelligenten Sensoren ohne Internet zu intelligenten Sensoren mit Internet gekommen ist. Insbesondere wir aufgezeigt, welchen Einfluss Ethernet TCP/IP auf die Entwicklung des IoT hatte, um die Welt der RFID-Transponder in das Internet zu überführen. Die verschiedenen RFID-Verfahren werden von ihren Anwendungen, ihrer Technologie und Entstehung her besprochen und aufgezeigt, wie geschichtlich diese Sensoren mit dem Internet in Einklang gebracht wurden. Dabei werden die verschiedenen RFID Frequenzen und ihre Technologie und Einsatzmöglichkeiten erläutert. Besonders wird auf passive, aktive und semi-aktive RFID bezüglich ihrer Leisrtungsfähigkeiten besprochen.
Das Internet selbst fand seit 1990 weltweite Verbreitung und resultierte im Jahr 1999 in das von Kevin Ashton publizierte Werk IoT (Internet of Things). Die Details und Geschichte dieser Technik wird in diesem Kapitel erläutert.
‚Wer Industrie 4.0‘ sagt, meint ‚IoT‘ ist eine der Kernaussagen zu Industrie 4.0 und IoT. Wer IoT sagt adressiert dabei indirekt aber auch das Ethernet in Verbindung mit Internet oder WLAN, das ebenfalls auf Ethernet und Internet basiert. Die drei Themengebiete sind eng miteinander verbunden. Auch dieses Thema wird eingehend besprochen.
Wolfgang Babel
Kapitel 6. Die Automatisierungspyramide von 1985 – Grundlegende Struktur in IoT und Industrie 4.0
Zusammenfassung
Das Kapitel behandelt die Automatisierungspyramide in ihren wesentlichen Strukturen für die vertikalen und horizontalen Kommunikationsstrukturen. Es wird die Entstehungsgeschichte der in 1985 standardisierten Automatisierungspyramide basierend auf dem OSI (Open Systems Interconnection) Modell eingehend erläutert. Dabei werden die fünf Ebenen, beginnend bei der Feldebene (Sensoren, Aktoren) über die Ebene der SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen), gefolgt von der SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) zur Ebene des MES (Manufacturing Execution System) und zur ERP (Enterprise Ressource Planning) Ebene eingehend bezüglich ihrer Funktionsweise aufgezeigt. Entsprechender Einsatz von typischen echtzeitfähigen Feldbussen sowohl in der vertikalen wie auch horizontalen Kommunikation, beginnend bei HART, PROFINET, EtherCAT; EtherNet/IP, Modbus TCP. CC-Link bis hin zu OPC UA und Ethernet IP/TCP werden ebenso thematisiert wie die Schnittstelle zwischen Prozess und IT. Für alle Ebenen werden mit entsprechenden Entwicklungen viele Produkte aufgezeigt, wie sie heute bei der Systemintegration verwendet werden. Als ERP-System wird anhand des SAP erklärt, welche Funktions- und Wirkungsweise das SAP hat, welche Fehler vermieden werden müssen und was ein einwandfreies Funktionieren des Systems sicherstellt. In der Feldebene wird beispielhaft die Entwicklung intelligenter Analysemesssensoren für den Einsatz in Industrie 4.0 inklusive der Integration ins Ethernet TCP/IP besprochen.
Klar wird dargestellt, wie aufgrund zunehmender Leistungsfähigkeit von Hardware und Software die Ebenen immer mehr verschmelzen, was insbesondere der Fall zwischen ERP- und MES- Ebene ist, aber auch zwischen Feldebene und SCADA System.
Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit den Anforderungen an die Sensoren und Module, die für den gerechten Einsatz in industriellen Anlagen erforderlich sind.
Wolfgang Babel
Kapitel 7. Vertikale und horizontale Kommunikation innerhalb der Automatisierungspyramide – OSI Modell
Zusammenfassung
Im Kap. 7 werden die horizontalen und vertikalen Kommunikationsstrukturen innerhalb der Automatisierungspyramide thematisiert, welche eine der Grundlagen der Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT sind. Maßgeblich hierbei sind die Feldbusse, wie zum Beispiel Ethernet TCP/IP, PROFINET, EtherCAT, Ethernet/IP, Modbus TCP, CC-Link, IO-Link, OPC UA und WLAN/Wi-Fi als Ethernet basierte Feldbusse für Echtzeitanwendungen.
Es wird die Aufteilung der Bussysteme gegeben, sowie die Vor- und Nachteile von Feldbussen aufgezeigt. Dabei wird u. a. über Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Bussysteme gesprochen.
Eingehend wird das OSI Modell (Open Systems Interconnection) in seiner Funktionalität bezüglich seiner sieben Schichten ausgeführt. Schwerpunkt bildet dabei das Ethernet TCP/IP. Geschichtliche Aspekte spielen hierfür eine ebenso eine wichtige Rolle wie die dahinter existierende Technologie. Schwerpunkt bilden die 19 international standardisierten Feldbusfamilien. Das OSI Modell ist dabei der in der Automatisierungstechnik angewendete Protokollstapel aller verwendeten Kommunikationsprotokolle und Feldbusprotokolle.
Weiter werden in diesem Kapitel die Gremien für die Kommunikationstechnologie besprochen, wie zum Beispiel IEEE 802, PROFIBUS&PROFINET International (PI), ODVA, OPC Foundation, FDT/DTMTM, FieldComm Group. Aufgezigt werden die geschichtliche Entstehung dieser Gremien sowie deren Zuständigkeiten und Verantwortlichkeiten in der internationalen Kommunikationswelt.
Wolfgang Babel
Kapitel 8. Ethernet, Internet IPv4 und IPv6
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die wichtigsten Kommunikationsprotokolle Ethernet, Internetprotokolle IPv4 und IPv6, sowie die Transportation Protokolle TCP und UDP besprochen. Das Protokoll Ethernet TCP/IP ist einer der wichigsten Protokollstacks in der Automatisierungstechnik und somit in der Systemintegration von vertikalen und horizontalen Kommunikationsstrukturen ausschlaggebend. Das Ethernet TCP/IP und Ethernet UDP/IP (User Datagram Protocol) belegen jeweils die ersten 4 Schichten des OSI Modells. Beide Protokolle sind auch eine wichtige Basis für die echtzeitfähigen Feldbussen, die auf Ethernet basieren. Diese Feldbusse (Protokolle), EtherNet/IP (Industrial Protocol), EtherCAT, PROFINET, Modbus TCP, CC Link, IO-Link sowie OPC UA befinden sich in der Anwendungsschicht 7 des OSI Modells. Teilweise sind dies Feldbusse auch im Rahmen des CIP (Common Industrial Protocol) implementiert. In diesem Zusammenhang werden der Ethernet II Frame und 3 weitere Ethernet Frames als grundlegende Kommunikationsstruktur, die Internetprotokolle IPv4 und IPv6, die Transportationprotokolle TCP und UDP detailliert diskutiert. Weiterhin werden die Protokolle IPv4 und IPv6 gegenübergestellt, insbesondere auch was deren Sonderadressen anbelangt. Ebenso wird die Implementierung der beiden Internetprotokolle und deren Handhabung im Protokollstack eingehend erläutert. Echtzeitanforderungen und Algorithmen zur Kollisionsvermeidung CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) sind ebenso Thema dieses Kapitels wie Betrachtungen zur Leistungsfähigkeit des Ethernet TCP/IP im Zusammenhang mit Flusssteuerung, Staukontrolle und Kollisionsmechanismen. Als Zusammenfassung dieses Kapitels wir auf die Protokollsuite TCP/IP eingegangen.
Wolfgang Babel
Kapitel 9. Hardware Ethernet
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Hardware von Ethernet besprochen. Dabei wird noch einmal in einer Zusammenfassung auf die Spezifika von Bussystemen eingegangen (Abschn. 9.1). Es werden die typischen Übertragungsraten für Ethernet und deren Realisierungen als Kupferkabel- oder Lichtwellenleiterverbindungen aufgezeigt. Entsprechende Verdrahtungen, Koaxkabel, Kupferkabel der Kategorie CAT x und Lichtwellenleiter werden bis hin zum Twisted Pair Kabel erklärt und vorgestellt. Die zugehörigen Steckersysteme vom Invasivstecker, Koaxstecker bis hin zum C8P8- oder RJ45-Stecker werden gegenübergestellt. Ein weiterer wesentlicher Punkt dieses Kapitels sind die ASICs für die physikalische Schicht (Abschn. 9.2.11), von denen die vier wichtigsten in ihren technischen Spezifikationen gegenübergestellt werden. Im abschließenden Abschnitt werden die Zukunftstechnologien von Ethernet diskutiert. Dazu zählen insbesondere die Themen PoE (Power over Ethernet), Tbit/s Ethernet, der ex-fähige Ethernet APL (Advanced Physical Layer) sowie das Single Pair Ethernet (SPE) als Grundlage des Ethernet APL (Abschn. 9.3). Netzwerktopologien für das Ethernet APL werden gezeigt.
Wolfgang Babel
Kapitel 10. Ethernetbasierte Feldbusse und Bussysteme
Zusammenfassung
Nachdem wir die Schichten 1 bis 4 des Ethernet TCP/IP bezüglich ihrer Software und Hardware ausführlich besprochen haben, wenden wir uns nun den auf Ethernet basierenden Echtzeit-Feldbussen zu. Diese echtzeitfähigen Ethernetbusse haben in der Automatisierung vor allem in der Verbindung vom Feld zu den SPS- bzw. SCADA/HMI-Systemen große Bedeutung. Weitere Feldbusse wie PROFIBUS, HART; Bluetooth, WirelssHART sind im Buch ‚Industrie 4.0, China 2025, IoT‘ Autor Wolfgang Babel ISBN: 978-3-658-34717-8 in allen Details ausführlich besprochen.
In diesem Kapitel besprechen wir die Feldbusse und Bussysteme, die auf Ethernet basieren und als Protokollstapel das Ethernet TCP/IP und Ethernet UDP/IP als Basis haben. All diese Feldbusse oder Bussysteme sind im OSI Modell in der Anwendungsschicht 7 angesiedelt. Dabei werden wir eingehend EtherNet/IP (Abschn. 10.1), welches mittlerweile ca. 17 % Marktanteil hat, PROFINET (Abschn. 10.2), ebenfalls mit ca. 17 % Marktanteil, gefolgt von EtherCAT (Abschn. 10.3), ca. 11 % Marktanteil besprechen. Weiter wird auf CC-Link (4 % Marktanteil) (Abschn. 10.4), Modbus TCP (5 % Marktanteil) (Abschn. 10.5), IO-Link (Abschn. 10.6), OPC UA, (Abschn. 10.7) sowie WLAN/Wi-Fi (Abschn. 10.8) eingegangen. Ein Schwerpunkt bildet dabei OPC UA, dessen horizontale und vertikale Kommunikationsstruktur die gesamte Automatisierungspyramide umfasst und stark wachsend ist. (Siehe Abb. 7.1 -Feldbusverteilung). Alle gelisteten Bussysteme werde geschichtlich und bezüglich ihrer Technologie eingeordnet und beschrieben.
Die richtige Handhabung der Protokollstacks ist eine Grundvoraussetzung für die Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT.
Wolfgang Babel
Kapitel 11. Hardwareentwicklungen – µ-Controller, ASICs, FPGA und Multicore-Prozessoren und Feldbusse
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die rasanten Harwareentwicklungen seit der 3, industriellen Revolution aufgezeigt, die maßgeblich zu den heutigen leistungsfähigen Sytemen geführt haben und gewisse Teilegebiete, wie z. B. die Künstliche Intelligenz zu neuer Blüte verholfen haben. Dabei werden detailliert µ-Controller, Digitale Signalprozessoren (DSP), ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array, RISC-Prozessoren und Multicore-Prozessoren besprochen. Alle Technologien wurden permanent in die Systemintegrationen von Industrie 4.0 und IoT/IIoT implementiert und verhalfen allen Systemen zu immer größeren Leistungsfähigkeiten. Dauerte in den 80ern eine Gesichtserkennung noch ca. 5 s auf einem Großrechner (IBM oder VAX) so geschieht das heute im unteren Millisekunden-Bereich. Alle Technologien werden zeitlich eingeordnet und bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit verglichen.
Die Ära der modernen Automatisierungstechnik begann in diesem Zusammenhangmit der Einführung des µ-Controller in den 70er Jahren. Intel war in diesem Zusammenhang wegweisend und brachte in 1971 den ersten Mikroprozessor 4004 mit 2250 Transistoren auf den Markt, gefolgt von dem legendären Intel 8080.
Wolfgang Babel
Kapitel 12. Zusammenfassung Des Zeitgeschehens
Zusammenfassung
Wer Industrie 4.0 sagt impliziert auch IoT, und wer IoT sagt meint auch Ethernet TCP/IP. Unter diesen Aspekten wird die geschichtliche Entwicklung der Automatisierungspyramide, des OSI Modell und des Ethernet TCP/IP (Protokollstapel) und auf dem Ethernet basierenden Feldbussen EtherNet/IP, PROFINET, EtherCAT, CC-Link, Modbus TCP, IO-Link, WLAN/Wi-Fi zusammengefasst. Die Gremienbildung zur Standardieirung von Bussystemen wird dabei ebenso berücksichtigt wie die einzelnen Feldbus-Technologien. Die Hardwareentwicklungen trugen zur Leistungssteigerung der Systemintegrationen in Industrie 4.0 und IoT/IIoT maßgeblich bei. Das Ethernet TCP/IP Protokoll spielt in den weltweiten LAN- Kommunikations-Netzwerken eine besondere Verdeutung. Der heutige KI-Hype kann nur deswegen existieren, weil der Leistungsfähigkeit von immer schneller werdenen Computersystemen und deren Miniaturisierungen kaum Grenzen gesetzt sind. Dennoch eines gilt nach wie vor: Der Mensch ist Urheber und Vorantreiber aller dieser Dinge.
Wolfgang Babel
Backmatter
Metadaten
Titel
Systemintegration in Industrie 4.0 und IoT
verfasst von
Wolfgang Babel
Copyright-Jahr
2024
Electronic ISBN
978-3-658-42987-4
Print ISBN
978-3-658-42986-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-42987-4